Способ крепления скважин

)" 1 )" ОЦ 2 ЕТЕН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕ ИЗО ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Всесоюзный научно-исследовательскийи .проектно-конструкторский институт поосушению месторождений полезных ископаемых, специальным горным работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу(54) СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН(57) Использование: при креплении скважинбольшого диаметра. Упрощает технологичеИзобретение относится к горному делу, в частности к креплению скважин большого диаметра, и может быть использовано в нефтяной промышленности, геологоразведочных, строительных работах.Известен способ крепления скважин (Завацкий М. А. Крепление нефтяных скважин, Азнефтеиздат. 1948, с. 168 - 174), согласно которому в скважину опускают обсадную колонну, затем в нее опускают став труб, герметизируют межтрубное пространство,. закачивают через внутренний став труб тампонажную смесь за обсаднуюколонну, затем из внутреннего става труб вытесняют тампонажную смесь закачкой продавочной жидкости, которой заполнена скважина, При наличии обратного клапана ский процесс и повышает надежность за счет саморегулирования давления в гидравлической системе цементировочныи став - обсадная колонна; Осуществляют спуск об. садной колонны в скважину, спуск в обсадную колонну цементировочного става, герметизацию затрубного пространства и цементирование путем закачки тампонажной смеси и продавочной жидкости. В начальный период цементирования создают гидравлическую связь цементировочный став - обсадная колонна - затрубное пространство, при этом в цементировочном ставе используют продавочную жидкость с большим удельным весом, чем промывочной, и меньшим, чем средний удельный вес.жидкости и тампонажной смеси за обсадной колонной, 4 ил,У) в нижней части обсадной колонны гидравлическая связь с затрубным пространством прерывается и обсадная колонна испытывает разность гидростатических давлений столбов жидкости за колонной и внутри нее. Она может прерываться и при отсутствии такого клапана. При схватывании тампонажной смеси за обсадной колонной гидравлическая связь между внутренней полостью обсадной колонны и затрубным пространством (за обсадной колонной) прерывается вследствие ряда проходящих процессов. Причем эта связь прерывается при схватившейся в нижней части обсадной колонны тампонажной,смеси и находящейся в текучем состоянии выше, При этом давление внутри обсадной колонны падает до5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 гидростатического давления столба жидкости, заполняющей ее. Давление за обсадной колонной равной давлению столбов жидкостей, заполняющих затрубное пространство, Оно всегда больше внутреннего давления в колонне. Разность этих давле. ний воспринимает обсадная колонна.Недостатком этого способа является то, что он имеет ограниченное применение. Он приемлем для крепления скважин трубами, которые могут воспринимать разность давлений за колонной и внутри нее.Обсадные колонны скважин большого диаметра рассчитаны на низкие допустимые внешние давления, и такой способ в тех случаях, когда зта разность превышзет допустимое внешнее давление на трубы, неприемлем.Известен способ предупреждения смятия обсадной колонны при цементировании через бурильную колонну (см. ШЬ 1 г Я, НоЬоамог соз 1 пц соарсе с 1 ог 1 пц 1 ппег мг 1 пц сетеп О п 9, Ог 111 п 9, 1987, Чо 1. 48, М 2.-, Р, 30-33), принятый зз прототип, сущность которого заключается в следующем. В сквакине опускают обсадную колонну и внутрь ее в . став труб для закачки тампонажной смеси, Кольцевое пространство между обсадной колонной и внутренним ставом труб изолируют при помощи пакера. В это прострзнстве создают давление, при котором трубы испытывают нулевое или допустимое положительное или отрицательное внешнее давление весь период твердения тампонажной смеси за обсадной колонной до потери смесью текучести и исчезания гидростатического давления за обсадной колонной.Недостатком этого способа является сложность технологической оснастки (пакеров) и самого процесса поддержания заданного расчетного давления в межтрубном пространстве в течение нескольких (одних, двух) суток. При этом используется специальная техника и производственный персонал для поддержания и контроля процесса.Целью изобретения является упрощение технологического процесса и повышение его надежности за счет саморегулирования давления в гидравлической системе цементировочный став - обсадная колонна.Этз цельдостигается тем, что в известном способе крепления скважин, включающем спуск обсадной колонны в скважину, спуск в обсадную колонну става цементировочных труб, герметизацию кольцевого межтрубного пространства на устье, закачку тзмпонажной смеси и продавочной жидкости через цементировочный став, в начальный период цементирования сообщают полости цементировочного става, межтрубного и затрубного пространства, а в качестве продавочной жидкости закачивают жидкость с удельным весом, определяемым по зависимости р " +7 ц" Й.ц ХрЖ:.+, Ь 1+ )УпЬ, +Ь +Ь где ур, уц, уп - удельные веса соответственно промывочной жидкости, заполняющей скважину, тампонажной смеси и продавочной жидкости; Ь, Ь - соответственно высота столбов промывочной жидкости, заполняющей скважину и тампонажной смеси за обсадной колонной: Рд - допустимое внешнее давление на обсадную колонну,физический смысл технологического. процесса заключается в том, что в зависимости от величины удельного веса жидкости в ставе цементировочных труб внутри обсадной колонны будет создаваться избыточное давление по всей длине колонны, не зависящее от наличия связи между внутренней полостью обсадной колонны и затрубным пространством, т.е, будет происходить саморегулирование давления в гидравлической системе цементировочный став - обсадная колонна.Поскольку в источниках информации не обнаружена совокупность признаков, отличающая предложенное техническое решение от прототипа, то предлагаемый способ крепления скважин удовлетворяет критерию "Существенные отличия".На фиг. 1 изображена скважина в процессе реализации предлагаемого способа, вертикальный разрез (фаза спуска в скважину обсадной колонны и цементировочного става); на фиг, 2 - то же, фаза закачки тампонажной смеси через цементировочный став; на фиг, 3 - то же, фаза окончания продавки тампонажной смеси из цементировочного става эа обсадную колонну; на фиг. 4 - график, показывающий действие гидростатических давлений в скважине при разрыве гидравлической связи внутренней полости колонны с затрубным пространством:АО - линия. соответствующая внешнему давлению на обсадную. колонну промывочной жидкости, заполняющей скважину и тампонажной смеси за обсадной колонной;Б 01 - линия, соответствующая давлению в обсадной колонне за счет столба жидкости, заполняющей скважину;БО - линия, соответствующая давлению столба продавочной жидкости;ББ 1 - линия, соответствующая дополнительному внутреннему давлению в обсадной колонне;Б 101- сечение линий давлений на устьескважины; 5БА - то же, на забое скважины,Сущность способа крепления скважинзаключается в следующем.В скважину 1 (фиг. 1), заполненную жидкостью 2 с удельным весом )р опускают 10обсадную колонну 3 и став цементировочных труб 4, Межтрубное пространство герметизирует, например, цементировочнойголовкой 5 с сальником для цементировочного става труб. 15Через став труб 4 (фиг. 2) в затрубноепространство закачивают тампонажную .смесь б с удельным весом уц, которая заполняет затрубное пространство на высотуй в конце продавки (стрелки на чертеже показывают направление закачивания.смеси),После чего в став цементировочных трубзакачивают продавочную жидкость 7 (фиг, 3)с удельным весом 1 п, которая вытесняет иэнего тампонажную смесь (стрелка показывает направление движения продавочнойжидкости), За обсадной колонной на высотеп 1 остается столб промывочной жидкости с,удельным весом ур, На этом технологический процесс закачки жидкостей закончен исистема остается е покое до полного схватывания тампонакной смеси за колонной.При этом полости цементировочного ставамежтрубного и затрубного пространств сообщаются, 35В случае прекращения гидравлическойсвязи внутренней полости колонны с затрубным пространством вступает во взаимодействие система цементироеочный став- обсадная колонна, В ней создается дополнительное внутреннее давление, обусловленное разностью удельных весовпродавочной жидкости и промывочной жидкости в обсадной колонне, как в сообщающихся сосудах. Происходящее при этом 45распределение давлений поясняет график,приведенный на фиг. 4.Величину удельного веса продавочнойжидкости определяют исходя иэ следующего.Гидрастатическое давление жидкостей(линия А 01 на графике, фиг, 4) эа обсаднойколонной е конце цементирования определяется выражением Гидростатическое давление столбажидкости внутри обсадной колонны Рв (линия Б 01 натрафике) определяется еыраже 1нием Избыточное внешнее давление Рц, которое будет воспринимать обсадная колонна в случае разрыва гидравлической связи внутренней полости с затрубным пространством, составит,Рц = Рн Рв =Ур "+Уцди - ,Ур(Ь 1+ Ь) =ц - )р) Ь. Превышение избыточного внешнего давления на обсадную колонну над допустимым Рд составит Для предотвращения Смятия обсадной колонны внешним гидростатическим давлением Л Рц должно быть компенсировано созданием дополнительного внутреннего давления Л Рв к давлению Рв, выраженного на графике фиг, 4 отрезком Б-Б .Так как две полости - внутренняя обсад. ной колонны и внутренняя цементировочного става, гидравлически связаны в нижней части, а межтрубье в верхней части изолировано, то столб жидкости в цементировочном ставе с удельным весом уп ) ур будет, создавать внутреннее дополнительное давление Л Рв в обсадной колонне по всей . длине ее.Гидростатическое давление столба продавочной жидкости Рп, которому соответствует линия Б 01 на графике. в цементировочном ставе определяется вы- ражением Так как в момент окончания продавки тампонажной смеси внутренняя полость цементировочного става и затрубное пространство обсадной колонны между собой связаны и чтобы не происходило выталкивания тампонажной смеси из затрубного пространства столбом продавочной жидкости, необходима, чтобы Рп было меньше Рн, т.е,Уп (Ь 1 + Ь) ( ур п 1 + уц и, откуда=7.8 10 Па Ф Превышениеизбыточного давления над40 допустимым Приняв уп=1,510 Н/м, получаютдо 4 3 45 полнительное внутреннее давление в обсадной колонне Рп-Рв=1,510 .(200+300)-6 10 =1,5 10. Па, 50т.е, при превышении внешнего давления на колонну над критическим в 0,8 106 Па столб продавочной жидкости в цементировочном стане будет создавать противобдавление внутри обсадной колонны 1,5 10 Па и колонна будет испытывать внешнее давление Рик. Ь 1+ Ь Внутреннее дополнительное давление в колонне Л Ре, создаваемое столбом продавочной жидкости, определяется на графике ББ =.01 Б 1 и выражается формулой ЬРе =Уп (11 + Ь) - Ур (Ь 1+ Ь). Оно должно быть больше ЬРн, т.е Таким образом получаем, что удельный вес и родавочной жидкости должен удовлетворять условию ур 1+у,Щ 1 -ур) 1 - Р 9 Уп- , +1 +УР П р и м е р, При сооружении технологической скважины глубиной 700 м с конечным дИаметром обсадной колонны 426 мм предусматривают крепление ее промежуточной. колонной диаметром 530 мм при глубине спуска до 500 м, Требуемая высота подъема тампонажной смеси за колонной 300 м и более, Толщина стенки труб по требованиям технологии бурения удовлетворяет 7-8 мм. При центрировании такой колонны по технологии, описанной в прототипе, возможно действие избыточного внешнегодавления на нее вышедопустимого. Для предотвращения этого применяют трубы с.толщиной стенки 12 мм повышенного качества: Это увеличивает расход металла истоимость крепления скважины,При использовании предлагаемого способа могут быть применены трубы с уменьшенной толщиной стенки, что подтверждается следующими расчетами,Принимают условие,Удельный вес промывочной жидкости (глинистый раствор) в скважине ур=1,2 10а Н/м, удельный вес тампонажной смеси (цераентный раствор) уц=1 ЯЗ 10 Н/м . Высота подьема тампонажной смеси за трубами при длине колонны 500 м 300 м (Ь 1=200 м, п.=300 м). Трубы с толщиной степени 8 мм с допустимым. давлением Рп=-1 10 Па. Определяют удельный вес продавочной жидкости (утяжеленный глинистый раствор) уп. 1,г 1 о гоо+1,8 з 1 о" зоо 200 + 300+ 1,210 = 1.3810 НlмПринимаютуп =1,510 Нlм1,56 10 ) 1,5 101,3810" При этом внешнее давление на обсадную колонну (у забоя) Внутреннее давление столба раствора вколонне Ре = 1 210 (200 + ЗОО) = 6 106 Па Избыточное внешнее давление Ро=Рн Ре=7,810 -610 =1,810 Па Л Ро=1,8 10 -1 10 =0,3 10 Па Рик=Рн - Рп - Рв=1,810 - 1.510 =0,3 10 Па.Формула изобретенияСпособ крепления скважин, включающий спуск обсадной колонны в скважину, спуск в обсадную колонну става цементировочных труб, герметизацию затрубного про странствэ на устье, закачку тампонажной смеси и продавочной жидкости через цементирЬвочный став, о т л и ч а ю щ и й с я тем,.что, с целью упрощения технологического процесса и повышения его надежно сти за счет саморегулирования давления в гидравлической системе цементировочный став - обсадная колонна, в начальный период цементирования сообщают полости цементировочного става, межтрубного и 15 зэтрубного пространства, а в качествепродавочной жидкости закачивают жидкость с удельным весом, определяемым по зависимостиф1 +ц(1"ц УР) 9. +у1+ пЬ+Ьгде ур, уц . уп - удельные веса соответственно промывочной жидкости, заполняющей скважины, тампонажной смеси и3,продавочной жидкОсти, н/м;п 1 и й - соответственно высота, м; столбов промывочной жидкости, заполняющей скважину и тампонажной смеси за обсадной оокой;Р - допустимое внешнее давление наЯобсадную колонну, МПа.1745885 1 Ю Составитель В,ПетриченкоТехред М.Моргентал Корректор Л.Лука Патрушева Ре Заказ 2371 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открыт113035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5 и ГКНТ СССР изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101